Электроника в вопросах и ответах - И. Хабловски

На нестабильность частоты генераторов влияют много факторов, наиважнейшими из которых являются температура, влажность, напряжение питания, недостаточная добротность контура и механические воздействия. Изменения температуры вызывают механические напряжения и деформации в катушке индуктивности и конденсаторе, которые имеют непосредственное влияние на параметры этих элементов. Аналогично влажность, влияя в основном на диэлектрическую проницаемость диэлектрика конденсатора, вызывает изменение его емкости.

Колебания напряжения питания вызывают изменения частоты, связанные с изменением параметров транзисторов, ламп и других активных элементов, а также изменение амплитуды колебаний и связанную с этим возможность появления нелинейных эффектов. Можно показать, что стабильность частоты генератора в большой мере зависит от добротности Q резонансного контура. Если добротность контура слишком мала из-за неправильного конструирования катушки индуктивности либо уменьшилась из-за нагрузки генератора слишком малым сопротивлением, то при этом увеличивается нестабильность частоты.

Изменения частоты генератора могут происходить также под влиянием внешних механических сил, например ударов или вибраций. Вибрации могут вызывать модуляцию частоты генератора.

Как можно повысить стабильность частоты генератора?

Стабильность частоты генератора можно повысить путем устранения или уменьшения факторов, вызывающих нестабильность. В связи с этим следует использовать стабилизацию напряжения питания, обеспечить высокую добротность колебательного контура, изменив каскад, развязывающий нагрузку от генератора, и защитить схему от механических воздействий, используя, например, антивибрационную подвеску некоторых элементов. Кроме того, можно обеспечить температурную компенсацию, заключающуюся в использовании элементов контуров с такими зависимостями параметров от температуры, что изменение одного компенсируется изменением другого. Иногда достаточно использовать элементы с малыми температурными коэффициентами. LC-генератор, выполненный без специальных мер повышения стабильности частоты, имеет стабильность около 10-3 — 10-4. При тщательном исполнении можно получить стабильность порядка 10-5.

На чем основана автоматическая регулировка амплитуды колебаний?

Амплитуда колебаний генератора, особенно перестраиваемого, не является постоянной, а подвержена колебаниям в зависимости от питающего напряжения, диапазона перестройки и т. п. Для поддержания постоянной амплитуды на выходе генератора применяют специальные схемы, обычно называемые схемами автоматической регулировки амплитуды (АРА).

Принцип работы схемы АРА представлен на рис. 10.10.

Рис. 10.10. Структурная схема автоматической регулировки амплитуды

Сигнал Генератора усиливается с помощью усилителя, а затем детектируется. Полученное напряжение используется для изменения рабочей точки генератора путем изменения тока эмиттера, а следовательно, и крутизны характеристики транзистора Из-за наличия регулирующего напряжения, зависящего от выходного сигнала, можно обеспечить такие условия работы генератора, при которых каждое изменение уровня выходного сигнала за счет ООС будет автоматически вызывать изменение в противоположном направлении и поддерживать тем самым выходной уровень как можно более постоянным.

Постоянная времени цепи регулировки определяется фильтром нижних частот, включенным между детектором и генератором. Следует добавить, что генератор, работающий по схеме с АРА, является генератором, модулируемым сигналом ошибки.

Что такое кварцевый генератор?

Кварцевый генератор является генератором синусоидальных колебаний, относящимся к группе электромеханических генераторов. В генераторах этого типа частота определяется кварцем, связанных с электрической схемой генератора.

Для кварцевого генератора резонатором является пластинка, вырезанная соответствующим образом из кристалла кварца. Кварц относится к кристаллическим материалам, обладающим пьезоэлектрическими свойствами. Пьезоэлектрический эффект состоит в том, что механические напряжения, вызванные воздействием внешних сил, приводят к появлению на пластинке, выполненной из кварца, электродвижущей силы Наблюдается также обратное явление, основанное на том, что подводимое напряжение создает механические напряжения. Если в посеребренной с двух сторон и расположенной в соответствующей оправе кварцевой пластинке посредством электрического импульса вызвать механические колебания, то на ее обкладках возникает переменное электрическое напряжение. Частота изменений этого напряжения равна частоте собственных колебаний пластинки. Пластинка ведет себя аналогично резонансному контуру. Добротность Q этого резонансного контура очень велика — десятки тысяч. Благодаря высокой добротности кварцевого резонатора стабильность частоты кварцевых генераторов очень высока.

На рис. 10.11 изображена простая схема кварцевого генератора. Эта схема очень похожа на схему генератора с резонансными контурами на входе и выходе с той разницей, что входной резонансный контур заменен кварцем.

Рис. 10.11. Кварцевый генератор с кварцем в цепи базы

Механизм возникновения колебаний в схеме таков: произвольная электрическая флуктуация (результат включения питающих напряжений) вызывает возникновение колебаний в резонансном контуре и передачу их через емкость C1 на кварц. Возбуждаемая таким образом кварцевая пластина управляет (посредством возникающего на ее зажимах переменного напряжения) напряжением на базе транзистора. Это напряжение после его усиления поддерживает колебания в цепи коллектора.

От чего зависят свойства кварцевого резонансного контура?

Свойства кварцевого резонансного контура зависят прежде всего от типа среза, размеров и условий работы.

Кристалл кварца (кристаллическая модификация кремнезема — SiО2) имеет вид шестигранной пирамиды (рис. 10.12).

Рис. 10.12. Кристалл кварца

Из его середины вырезают пластины кварца. Различают различные типы срезов кристалла в зависимости от того, как ориентирована пластинка относительно осей кристалла. Как видно из рис. 10.12, существуют три главные взаимно перпендикулярные оси, обозначаемые буквами X, Y и Z. Ось Z называется оптической осью кристалла. Три оси X, проходящие через каждую пару противолежащих вершин шестиугольника, — электрические оси, а три оси Y, проходящие через каждую пару противоположных граней, — механические. Если пластинка кварца вырезана таким образом, что ее наибольшая поверхность перпендикулярна оси X, это означает, что использован срез X. Соответственно существует срез Y. Срезы под углом к оси Z обозначаются двумя буквами, например АТ, ВТ и др. От типа среза зависит пригодность кварца для работы в различных диапазонах частот, температурный коэффициент частоты, возможность использования в фильтрах и т. п. Например, пластины кварца, полученные из среза X, обладают отрицательным температурным коэффициентом. Это означает, что если температура окружающей среды возрастает, частота генератора убывает. Пластины кварца, полученные из срезов под углом к оси Z, в некотором интервале изменений температуры имеют нулевой температурный коэффициент.

Если требования к стабильности частоты генератора велики, то кварц должен быть помещен в термостат, внутри которого поддерживается постоянная температура. При этом можно получить стабильность лучше, чем 10-6 (даже 10-8). На основе таких генераторов создаются эталоны (стандарты) частоты и кварцевые часы.

Кварцевая пластина может быть представлена в виде эквивалентной схемы (рис. 10.13, а). Это схема, в которой механические параметры кварца заменяются электрическими эквивалентами. Так, индуктивность Lm — электрический эквивалент массы, емкость Сm — гибкости (упругости); сопротивление Rm представляет противодействие перемещению, вызываемому трением в кристалле. Емкость С0 является емкостью между проводящими пластиками, присоединенными к кварцу. В схеме имеются два резонанса: последовательный и параллельный (рис. 10.13, б).

Рис. 10.13. Эквивалентная схема кварцевого контура (а) и соответствующее ей изменение реактивной проводимости (б)